BJT의 NPN, PNP 동작과 얼리 효과(early effect)

2차 수정 완료 22.03.13, BJT Transistor의 2차 효과 및 PNP 트랜지스터의 동작 조건을 추가함
3차 수정 완료 23.03.16 링크에 정성적인 동작 원리에 대해 언급(링크 확인 필요), 기존에 적지 않은 내용들을 이어 작성함

Bipolar Junction Transistor(BJT)는 능동소자 중 하나이며 입력에 인가되는 전압이 전류로 변환을 해주는 V/I 변환기로 볼 수 있고 입력과 출력을 어떻게 인가하느냐에 따라 증폭기가 될 수 있고, 버퍼가 될 수 있다.

 

BJT는 P-타입 반도체와 N-타입 반도체의 조합으로 구성이 되어있다.

전류에 관한 유도과정은 PN접합과 유사하며 PN접합의 지수모델의 전류를 이해한다면 쉽게 이해할 수 있다.

 

BJT 동작에 대해서는 유도과정을 생략했으며 정성적인 동작에 대한 설명과 정량적인 해석의 결과값으로 이 글을 구성했다.

 

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BJT의 구조

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NPN 트랜지스터

 

NPN 트랜지스터는 P-타입 반도체가 두개의 N-타입 반도체 사이에 삽입이 된 구조이다. 중간에 있는 P형 반도체는 베이스(Base), 양쪽의 N형 반체는 각각 컬렉터와 이미터로 부르게 된다.

 

이미터는 캐리어를 방출(Emit), 컬렉터는 방출된 캐리어를 모아준다(Collect). 베이스는 캐리어의 수를 제어해주는 역할을 하게 된다.

 

사진 1은 NPN 트랜지스터의 물리적인 구조(좌)와 회로의 심볼(우)를 보여주고 있다.

사진 1. 좌) 물리적인 구조 우) 회로의 심볼 표현

 

각각의 구조의 Vce, Vbe와 같은 표현이 있는데 이는 두 영역 사이에 있는 전압 차이를 의미하는 것을 표현한 것인데

Vbe= Vb-Ve와 같이 각 영역의 전압을 표현하고자 하는 것이다.

 

사진 1 우측에 있는 심볼 표현에서는 전류의 방향을 표기하고자 화살표로 전류의 방향을 표기한 것이다.

(캐리어의 이동 방향의 반대 방향이 전류의 방향임을 상기하라)

 

사진 1 좌측에 있는 물리적인 구조에서 이미터의 n형 반도체는 캐리어를 방출하기 위해 컬렉터의 n형 반도체보다 농도가 높다.

 

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동작 영역을 알아보자

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순방향 역방향 전류만 구분하는 PN접합과 다르게 트랜지스터는 하나의 전압원이 더 추가가 된다.

 

이해를 돕기 위해 트랜지스터의 전압-전류 특성을 보게되면 사진 2와 같이 표현이 됩니다.

 

사진 2. Vbe 변화에 따른 Ic-Vce 특성

 

Vce 변화에 따라 급격하게 올라가는 구간을 "포화 영역(Saturation Region)", Vce 변화에 따라 무관한 구간을 "능동 영역(Active Region)" 이라 표현하게 됩니다.

 

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능동 영역에서의 각 컬렉터, 이미터, 베이스 전류

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정성적인 동작에 대해서는 아래 링크에 언급해 두었습니다. 같이 병행하여 읽으면 도움이 될 것 같습니다.

2023.03.16 - [회로 관련 전공/회로 과정 통합 글] - 능동 모드에서 동작하는 BJT에 대해 알아보자 (Active mode in BJT)

능동 모드에서 동작하는 BJT에 대해 알아보자 (Active mode in BJT)

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컬렉터 전류

 

컬렉터 전류는 아래와 같이 표현이 됩니다.

 

식 1. 컬렉터 전류

Is는 공정에서 얻어지는 값이 되며, VT는 트랜지스터를 동작시키기 위한 열 등가 전압이다.

 

식 1로 알 수 있는점은 베이스-이미터 전압(Vbe)을 증가 시키면 컬렉터 전류가 증가 할 수 있음을 알려주고 있고 사진 1에서 베이스-이미터 전압 증가에 따른 컬렉터 전류의 변화를 알 수 있다.

 

베이스 전류

 

베이스 전류는 아래와 같다.

 

식 2

 

식 2에 베타(beta)는 전류 이득으로 표현하게 되는데 통상 50 ~ 200의 고정된 값을 가지고 있고, 베이스 전류는 아주 작은 전류가 흐름을 알 수 있다.

 

이미터 전류

 

식 3

 

왜 컬렉터 전류와 베이스 전류의 합이 이미터 전류의 합인지 의문점이 들 수 있다.

이해하기 편하게 그림을 그려보면 아래 사진 3과 같이 나오게 된다.

 

사진 3. 전류의 표현

 

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포화영역에서의 전류

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사실 포화영역은 사진 4만 이해하기만 하면된다.

 

사진 4. 포화 영역에서의 동작

 

컬렉터 전압을 0부터 키운다고 가정해보자 0부터 키울 때의 BJT의 물리적인 구조를 사진 4 우측과 같이 표현이 가능한데 베이스-컬렉터 전압(Vbc)가 양의 값을 가질 때 npn구조로 구성된 트랜지스터를 보게 되면 pn접합의 구조로 볼 수 있다.

 

컬렉터와 연결된 다이오드의 전류는 결국 Ic전류와 같고 베이스-컬렉터 전압이 작아질수록 많은 전류를 흘릴 수 있다.

 

2차 효과(Second Effect) - 얼리 효과

 

얼리 효과는 컬렉터-이미터 전압(Vce)의 증가로 인해 베이스-컬렉터의 공핍층이 넓어짐으로써 컬렉터 전류를 증가시키게 된다. 이는 아래 식으로 표현된다

 

식 4

 

베이스 폭은 일정하다 가정하고, 기존 컬렉터 식에서 추가된 "1+Vce/VA"는 얼리 효과를 표현한 것이다. 여기서 VA는 '얼리 전압'이다.

 

얼리효과로 발생하는 저항성분은 아래 링크에 자세히 언급되어 있다.

2022.03.06 - [회로 관련 전공/회로 과정 통합 글] - BJT의 소신호 등가모델(Small-Signal Equivalent Model)

BJT의 소신호 등가모델(Small-Signal Equivalent Model)

 

PNP 트랜지스터

 

PNP는 NPN과 비교하였을 때 베이스, 이미터, 컬렉터의 극성이 반대가 되며 위에서 언급한 두 단자의 전압차들 (예를 들어 베이스-이미터 전압  VBE, 컬렉터-이미터 전압 VCE)이 반대가 됨을 이해하면 된다. 따라서 이미터-베이스 전압 VEB, 이미터-컬렉터 전압 VEC 로 생각해주면 NPN과 크게 다르지 않다.